Opening the low frequency window to the high redshift Universe Vedantham, Harish

Transcriptie

1 Opening the low frequency window to the high redshift Universe Vedantham, Harish IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2015 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Vedantham, H. (2015). Opening the low frequency window to the high redshift Universe [Groningen]: University of Groningen Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 NEDERLANDSE SAMENVATTING Introductie Het huidige heelal bevat lichtgevende sterrenstelsels in een ijl intergalactisch medium (IGM). Het IGM bestaat uit geïoniseerd waterstofgas, dat wil zeggen dat protonen en elektronen van elkaar gescheiden zijn. Dit was niet altijd het geval in het vroege heelal. Zo n 380,000 jaar na de oerknal, toen de kosmische achtergrond straling ( cosmic microwave background, CMB) werd uitgezonden, was het heelal ver genoeg afgekoeld om de elektronen wederom aan de protonen te binden (recombinatie). Het heelal bestond toen voornamelijk uit neutraal waterstofgas. Door het ontbreken van lichtgevende bronnen, zoals sterren en sterrenstelsel, wordt de daaropvolgende periode wel de dark ages (DA) genoemd. Door de aantrekkende werking van de zwaartekracht klontert de materie. Deze klonten materie storten uiteindelijk ineen om zo de eerste sterren en sterrenstelsels te vormen. Dit proces begint zo n 100 miljoen jaar na de oerknal 4. Het tijdperk van de formatie van de eerste sterren en sterrenstelsels wordt "cosmic dawn"(cd), kosmische dageraad, genoemd. We kennen de exacte eigenschappen van de eerste sterren niet, maar hun ultraviolette (uv) straling heeft waarschijnlijk het neutrale waterstof gas in het heelal geïoniseerd tijdens de Epoch of Reionization (EoR), het tijdperk van reïonisatie. Ongeveer 1 miljard jaar na de verknal is het overgrote deel van het heelal geïoniseerd, waarmee het tijdperk van reïonisatie eindigt. Naast uv-straling van de eerste sterren, werd er ook Röntgenstraling uitgezonden in de nabijheid van zwarte gaten, een eindresultaat van sterevolutie. Deze Röntgenstraling heeft het IGM zowel geïoniseerd alswel verhit. De hierboven beschreven kosmische evolutie, en de verschillende tijdperken zijn weergegeven in Fig. 1. De dark ages, cosmic dawn en reïonisatie tijdperken zijn een nauwelijks tot niet onderzochte periode in de geschiedenis van ons heelal en zijn dus een belangrijk onderzoeksgebied in de hedendaagse sterrenkunde en kosmologie. Onze huidige kennis van deze tijdperken is grotendeels gebaseerd op onnauwkeurige extrapolaties van waarnemingen van de kosmische achtergrondstraling en van latere generaties van sterren en sterrenstelsels. Directe waarnemingen van deze tijdperken zijn echter cruciaal om een volledig begrip op te bouwen van de aard van de eerste bronnen in het heelal en hun interactie met 4 Op dit moment is het heelal 13,7 miljard jaar oud

3 Nederlandse Samenvatting 180 Figuur 1: Een schematische weergave van de geschiedenis van het heelal. Beeldrecht: Roen Kelly/Discover magazine

4 Nederlandse Samenvatting 181 het IGM om hen heen. Waterstof is een krachtige graadmeter van de fysische toestand van het heelal in elk tijdsgewricht, aangezien waterstof het meest voorkomende element is. Neutraal waterstof heeft bij voorkeur interactie met elektromagnetische straling bij bepaalde frequenties of golflengtes, deze horen bij bepaalde elektrische overgangen in het waterstof atoom. De meest veelbelovende manier om fysische toestand van het vroege heelal te onderzoeken is met behulp van een overgang in de spintoestand van het proton en het elektron die het waterstofatoom vormen (zie Fig. 1). Deze overgang komt voor bij een frequentie van ongeveer 1420 MHz, equivalent aan een golflengte van 21-cm. Door het waarnemen en bestuderen van deze 21-cm lijn uit het vroege heelal. zal ons begrip van het tijdperk van de eerste sterren en sterrenstelsels een revolutie ondergaan. De 21-cm straling uit het vroege heelal is door de uitdijing van het heelal roodverschoven of opgerekt tot golflengtes in de orde van meters. Dit komt overeen met frequenties tussen 40 en 200 MHz 5 Elke frequentie in dit bereik komt overeen met een unieke roodverschuiving, ofwel epoche in het vroege heelal. Door de hoek- en frequentievariatie van het 21-cm signaal waar te nemen, kunnen we een driedimensionaal beeld opbouwen van de fysische omstandigheden in het vroege heelal. Om dit doel te bereiken zijn veel baanbrekende radiotelescopen gebouwd, zoals LOFAR ( en nog ambitieuzere radiotelescopen worden ontworpen, zoals SKA ( Fig. 2 laat een luchtfoto zien van het binnenste deel van de kern van de LOFAR telescoop, dat gelegen is bij het dorp Exloo in Drenthe, Nederland. De huidige 21-cm waarnemingen van het vroege heelal vallen in twee algemene categorieën: globale experimenten en angular power spectrum experimenten. Een globaal signaal verwijst naar een 21-cm signaal dat over de gehele hemel gemiddeld is. De gemiddelde eigenschappen van het vroege heelal als functie van de tijd kunnen worden onderzocht door het globale signaal op verschillende frequenties te meten. Aangezien globale experimenten de gemiddelde helderheid van de hemel meten, hebben ze geen noemenswaardige resolutie nodig en kunnen dus met simpele dipool antennes, die de gehele hemel zien, worden waargenomen. Power spectrum experimenten daarentegen meten de hoeveelheid fluctuaties in het 21-cm signaal op verschillende ruimtelijke schalen. In tegenstelling tot dipolen, worden ruimtelijke fluctuaties gemeten met arrays van antennes, die samen een radio-interferometer vormen, zoals LOFAR. Alhoewel de eerste waarnemingen van het globale 21-cm signaal en van het angular power spectrum mogelijk aanstaande zijn, worden de huidige experimenten nog geconfronteerd met geduchte uitdagingen. Het primaire doel van dit proefschrift is om technieken te ontwikkelen en te bestuderen die een aantal van deze openstaande problemen in 21-cm experimenten moeten oplossen. Observationele uitdagingen in 21-cm kosmologie Het verwachte signaal van de CD en EoR tijdperken is extreem zwak. Om deze zwakke signalen waar te nemen is het noodzakelijk honderden uren te observeren met een grote radiotelescoop zoals LOFAR 6. In vergelijking met het verwachte 21-cm signaal is de voorgrond-emissie van ons eigen sterrenstelsel en alle tussenliggende sterrenstelsels vier 5 Ter vergelijking, FM radio frequenties liggen tussen de 88 en 108 MHz. FM zenders storen en maken sterrenkundige radiowaarnemingen moeilijker. 6 Alle hoge band antennes samen hebben een oppervlakte van ongeveer 7 voetbalvelden!

5 182 Nederlandse Samenvatting Figuur 2: Boven: een luchtfoto van de centrale kern van LOFAR (beeldrecht: c Top-Foto, Assen). De lage band antennes (links onder, beeldrecht: c ASTRON) zijn omgekeerde Vvormige dipolen en zijn afgestemd om waar te nemen tussen 10 en 80 MHz, waar het signaal van het cosmic dawn tijdperk verwacht wordt. De hoge band antennes (rechts onder, beeldrecht: c ASTRON) doen denken aan spinnen en zijn fat dipoles die zijn afgestemd om waar te nemen tussen 110 en 200 MHz, waar we het signaal verwachten van het tijdperk van reïonisatie. tot vijf ordes van grootte sterker. Naast zeer lange belichtingstijden, is het noodzakelijk om de telescoop uiterst precies te ijken (kalibreren) en om de genoemde voorgrond emissie uit de data te verwijderen. Bovendien zijn er veel kunstmatige stoorbronnen (Radio Frequency Interference, RFI), die enkele ordegroottes kunnen uitstijgen boven de helderste sterrenkundige bronnen. Data die beïnvloed zijn door RFI moeten efficiënt geïdentificeerd en verwijderd worden. Het extreem sterke voorgrond signaal en de kunstmatige interferentie zijn de belangrijkste uitdagingen die overwonnen moeten worden om het 21-cm signaal uit het vroege heelal waar te kunnen nemen. Het lage frequentie venster openen De elektromagnetische golven die we waarnemen op aarde worden vervormd door de atmosfeer van de aarde. De atmosfeer voorziet in waarnemingsvensters een set van

6 Nederlandse Samenvatting 183 Average Jy/PSF Figuur 3: Ionosferische effecten op radiobronnen: In het paneel links boven is een beeld te zien van een radiobron in de voorgrond gemaakt met zes uur belichtingstijd. De overige panelen laten moment opnames zien met een belichtingstijd van 12 sekonden. De grijze cirkel is gecentreerd op de echte positie van de bron. De ionosfeer veroorzaakt dus fluctuaties in de positie, de flux en de morfologie van radiobronnen, wat tot een imperfecte verwijdering van voorgrond emissie aanleiding geeft. golflengtegebieden waar de atmosfeer grotendeels transparant is. Het 21-cm signaal uit het vroege heelal valt gelukkig in zo n venster. Een laag van de atmosfeer van de aarde, genaamd de ionosfeer, veroorzaakt echter kleine vervormingen in de radiogolven. Deze vervormingen verschijnen, zoals aangegeven in Fig. 3, als kleine fluctuaties in de schijnbare positie, morfologie en helderheid van radiobronnen. Dit is vergelijkbaar met het twinkelen van sterren. De vervormingen zorgen voor imperfecte verwijdering van voorgrond emissie uit onze data. Zelfs kleine imperfecties in deze verwijdering kunnen residuen achterlaten die groter zijn dan het kosmische 21-cm signaal, aangezien de voorgronden zoveel sterker zijn dan het kosmische signaal. Om dit radiovenster volledig te kunnen openen om het vroege heelal te bestuderen, is het dus noodzakelijk om de ionosferische verstoringen minutieus te onderzoeken en om technieken te ontwikkelen om ze te beperken dit is een van de primaire doelstellingen van dit proefschrift. Het ontwikkelen van nieuwe observationele technieken is een manier om de huidige uitdagingen van 21-cm experimenten te omzeilen en kan zo een aanvulling zijn op het openen van de radiofrequentievensters. Een van deze technieken die ik in dit proefschrift ontwikkel heeft als doel een belangrijke beperkende factor van enkele dipool globaal signaal experimenten te omzeilen. Ten opzichte van interferometers zijn experimenten met een enkele dipool in de praktijk moeilijk te kalibreren. Een interferometer is echter ongevoelig voor een constant signaal, doordat het alleen ruimtelijke fluctuaties meet.

7 184 Nederlandse Samenvatting Daarentegen kan een interferometer gebruikt worden om het contrast (of verschil) tussen een globaal signaal en een referentiebron te bepalen. In dit proefschrift onderzoek ik de mogelijkheid om de maan als een helderheidsreferentie te gebruiken om zo met een interferometer het globale 21-cm signaal te meten. Dit proefschrift In hoofdstuk 2 bespreek ik de gevolgen van een frequentie afhankelijke antenne beam en van ionosferische effecten op globale 21-cm experimenten met een enkele dipool. De ionosfeer geeft een frequentie afhankelijke afbuiging aan radiogolven, vergelijkbaar met wat een prisma doet met zichtbaar licht. Dit resulteert in een frequentie afhankelijke vervorming van het waargenomen spectrum van de helderheid van de hemel. De kenmerken van de evolutie van het signaal uit het vroege heelal kunnen beschadigd worden door deze vervorming, aangezien frequentie overeenkomt met kosmische tijd. In hoofdstuk 2 ontwikkel ik een techniek om deze beschadigingen tegen te gaan tijdens periodes van lage tot middelmatige ionosferische dichtheden. Ik bereken ook de ionosferische dichtheden waarboven enkele-dipool 21-cm experimenten nadelig worden beïnvloed, zulke data zijn dan ook onbruikbaar. In hoofdstukken 3 en 4 bestudeer ik de effecten van de ionosfeer op interferometrische meting van het 21-cm power spectrum. In hoofdstuk 3 leid ik voor de eerste keer de vergelijkingen af om de effecten van ionosferische turbulentie op een interferometer met een groot blikveld, zoals LOFAR, te bestuderen. Ik laat met behulp van deze vergelijkingen zien dat turbulentie in de ionosfeer zorgt voor willekeurige fluctuaties in interferometrische data. Dit kan als een extra bron van ruis worden beschouwd en kan zelfs de dominante bron van ruis worden in lage frequentie waarnemingen. In hoofdstuk 4 presenteer ik voorspellingen voor de beperkende invloed van ionosferische effecten in 21- cm power spectrum data als een functie van de mate van turbulentie. Deze resultaten kunnen dus gebruikt worden om te beoordelen of de data uit bepaalde periodes geschikt zijn voor een nauwkeurige meting van het 21-cm signaal uit het vroege heelal. In hoofdstuk 5 en Fig. 4 presenteer ik de eerste beelden van de maan op lage frequenties, als onderdeel van een verkennend onderzoek naar de bruikbaarheid van een nieuwe waarneemtechniek om het globale 21-cm signaal waar te nemen met een interferometer. Ik bevestig de voorspellingen, gebaseerd op data op hogere frequenties, dat de maan kouder (of zwakker) is dan de galactische achtergrond straling. Daarom moet de maan eruitzien als een gat in de hemel in interferometrische beelden. Ik laat ook zien dat de maan zich, naar eerste orde, gedraagt als een gladde, reflecterende bol bij radiofrequenties. Daardoor komt de gereflecteerde kunstmatige straling (RFI) van de aarde als een compacte vlek terecht in het midden van de maan-schijf. Ik gebruik metingen van de sterkte van deze vlek om de sterkte van de radiostraling van de gehele aarde te bepalen. Deze straling spreidt zich immers uit in de interplanetaire en interstellaire ruimte. Deze metingen verschaffen dan ook informatie over de radio interferentie omgeving op de maan. Deze data zijn noodzakelijk voor voorgestelde radiosterrenkundige missies op en om de maan.

8 Nederlandse Samenvatting MHz MHz MHz MHz MHz MHz MHz MHz Jy/PSF Figuur 4: De eerste radio beelden van de maan op lage frequenties. De panelen komen overeen met verschillende frequentiebanden. De maan verschijnt als een negatieve flux bron ( gat in de hemel ), aangezien het zwakker is dan de galactische radio-emissie dat door de maan verduisterd wordt. De vlek in het midden van de maanschijf in de laatste twee panelen is gereflecteerde kunstmatige radio straling! Beelden zoals deze kunnen in de toekomst gebruikt worden om de temperatuursamenstelling van de maankorst te bepalen tot een ongekende diepte van 1 km. In hoofdstuk 6 bouw ik verder op de resultaten van hoofdstuk 5, door de maanbedekkings-techniek verder te verfijnen. Daarbij vind ik dat de temperatuur van de maan ongeveer 100 graden Kelvin warmer is dan verwacht. Radiogolven op lage frequenties zijn afkomstig uit de diepere lagen onder het maanoppervlak. Dit resultaat zou dan ook verklaard kunnen worden door een hogere temperatuur in diepere lagen en/of met een toegenomen albedo (reflectie) van het maanoppervlak voor radiogolven van (bijvoorbeeld) onze melkweg. Betere standaards voor absolutie kalibratie zijn echter nodig om na te gaan of deze afwijking echt is. Niettemin openen deze resultaten een interessante mogelijkheid voor de huidige generatie van laag-frequente radio telescopen, zoals LOFAR, om ons begrip van de diepere lagen van de maankorst te verbeteren.

9